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Session de 1987 - PREMIERE EPREUVE - 3 heures
MACHINE A COURANT CONTINU ALIMENTEE PAR
UN HACHEUR REVERSIBLE EN COURANT
Cette épreuve comporte 3 parties, liées entre elles, mais pouvant être traitées de façon
indépendante.
On se propose d'étudier une machine à courant continu alimentée par un hacheur à partir d'un
réseau continu fixe, la charge entraînée présentant un couple constant quelle que soit la vitesse.
1. Etude de la machine à courant continu
L'excitation, réalisée par aimants permanents, sera supposée constante ; par ailleurs la machine est
parfaitement compensée. La f.é.m. est proportionnelle à la vitesse angulaire de rotation :
E = KE 
E en volts ;  en radians par seconde.
Pour cette machine, le constructeur donne les caractéristiques suivantes :
- tension nominale : 200 V
- courant nominal : 15 A
- constante de f.é.m., KE = 0,61 V.s.rad-1
- couple de pertes à 3000 tr/min : Tp = 0,7 Nm (supposé proportionnel à la vitesse)
- résistance de l'induit : Ra = 0,45  ; inductance de l'induit : La = 1,6 mH
- courant impulsionnel maximal : 100 A
1.1. Déterminer, au point nominal, en fonctionnement moteur
- la vitesse de rotation : nn (tr/min) et n (rad/s)
- le couple électromagnétique Tem
- le couple utile Tu
1.2. Le moteur fonctionne à vide. Calculer le courant dans l'induit pour les deux vitesses de
rotation suivantes : 3000 tr/min et 1000 tr/min.
1.3. La machine fonctionne en génératrice à vitesse nominale. Le moment du couple résistant
total est Tr = 8 N.m.
Calculer le courant d'induit et la puissance électrique échangée avec le réseau continu, lors
d'un fonctionnement en récupération.
1.4. A partir du point de fonctionnement nominal en moteur, on réalise un freinage en
récupération à courant d'induit constant Ia = 30 A et à couple Tr constant, Tr = 8 N.m.
L'ensemble (rotor de la machine - charge) présente un moment d'inertie ramené sur l'arbre
de la machine J = 0,33 kg.m2. On négligera le couple de pertes de la machine.
1.4.1. Ecrire l'équation différentielle régissant l'évolution de la vitesse angulaire  en
fonction du temps.
1.4.2. Résoudre cette équation et donner l'allure de la courbe  = f (t).
1.4.3. En déduire la durée t1 nécessaire pour atteindre la vitesse nulle avec récupération.
1.4.4. Calculer l'énergie récupérée pendant la phase de freinage.
2. Etude du hacheur alimentant l'induit de la machine à courant continu
Soit le montage de la figure 1.

UR est une tension continue constante : UR = 200 V.
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 L'inductance L représente l'inductance globale de l'induit de la machine et de la bobine de lissage
sans pertes : L = 11,8 mH.

La f.é.m. E représente la f.é.m. développée par l'induit.
Dans les conditions de fonctionnement, on a toujours :
0 < E < UR
iR
T1
 T1 et T2 sont deux transistors de puissance jouant le rôle
d'interrupteurs unidirectionnels commandés à la fermeture et à
l'ouverture par leur tension base-émetteur, vbe.
pour vbe > 0 le transistor considéré est saturé,
pour vbe ≤ 0 le transistor est bloqué.
Les temps de commutation et l'influence des circuits d'aide à la
commutation sont négligés.
D1
figure 1
v be1
UR
T2
v be2
 La chute de tension aux bornes d'un interrupteur passant
est nulle.
i
L
D2 v
E
A
B
2.1. On commande périodiquement T1 (figure 2). T2 est maintenu bloqué (vbe2 <0).
La conduction est continue, le courant est ininterrompu dans le moteur (i > 0).
2.1.1. Montrer que seuls T1 et D2 participent au
fonctionnement en régime établi et faire les schémas
utiles pour cette étude, respectivement pour 0 ≤ t ≤
T et pour T ≤ t ≤ T.
2.1.2. Ecrire les équations différentielles vérifiées
par le courant i (t) durant chaque séquence.
v be1
0
T
T
t
T + T
figure 2
2.1.3. En déduire l’expression i(t) pendant chaque séquence, en appelant Im et IM les
valeurs extrêmes de i (t). On pourra poser t' = t - T.
2.1.4. Montrer que I  IM  Im   
UR  E
et E =  UR ; f : fréquence du signal Vbe1.
Lf
2.1.5. Application numérique :
En régime établi, le hacheur fonctionne à ondulation de courant ΔI constante et à
fréquence et rapport cyclique variables (commande par fourchette de courant), ΔI = 1 A.
Calculer, pour n = 1200 tr/min, les valeurs de  et f.
Représenter i (t) si sa valeur moyenne Imoy vaut 15 A puis déterminer la fréquence
maximale de fonctionnement fM (on précisera la valeur correspondante de ).
2.2. On commande périodiquement T2 (voir document réponse n°1). T1 est bloqué, vbe1 < 0. La
conduction est continue (i < 0).
2.2.1. En régime établi seuls T2 et D1 interviennent. En déduire les schémas utiles pour :
0 ≤ t ≤ T et T ≤ t ≤ T
2.2.2. Représenter l'allure de la tension v (t) sur le document réponse n°1.
Ecrire la relation liant v(t), i(t) et E.
E
En déduire que l’on a : UR 
.
1 
2.2.3. En écrivant les équations différentielles vérifiées par le courant i, donner l'allure de
i(t).
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En déduire que l'ondulation de courant s'écrit : I  UR   
On notera I0 et I1 les valeurs de i à t = 0 et t = T.
(1  )
.
Lf
2.2.4. Pour n = 1200 tr/min, Imoy = 30 A et f = 4 kHz, calculer , ΔI, I0 et I1.
Calculer la puissance mise en jeu au niveau du réseau (UR , iR) en précisant le sens du
transfert.
Quel est le type de réversibilité de ce montage ?
2.3. Les transistors T1 et T2 sont commandés de manière complémentaire. La charge peut être
active.
Pour trois valeurs de couple, on a relevé les oscillogrammes de courant (document réponse n°2).
2.3.1. Déterminer, pour chaque cas, la séquence de conduction des quatre interrupteurs.
Que peut-on dire de la vitesse de rotation du groupe si  a la même valeur dans les 3 cas ?
2.3.2. En considérant le cas b, quel est l'avantage d'une commande complémentaire de T1,
T2 par rapport aux fonctionnements envisagés aux paragraphes 2.1. et 2.2. ?
3. Commande en courant du hacheur :
On réalise le contrôle du courant dans la machine à courant continu avec le montage de la figure 3.
UR = 200 V
R3
figure 3
R1
+
R2
820 
Commande
des bases
de T1 et T 2
A2
+
v1
D1
L
-
A1
Vref
T1
T2
D2
v
On donne :
R1 = 10 k
s = 0,01 
E
s
v2
R4
i
R5
R2 = 1 k
R3 = 50 k
L = 11,8 mH Vcc = 15 V
masse de
l'alimentation
des A.O.
masse circuit
de puissance
R4 = 1,2 k
R5 = 68 k
Les amplificateurs opérationnels sont alimentés sous les tensions
suivantes : + Vcc, 0, - Vcc (figure 4).
+ Vcc
i+
Ils sont considérés comme parfaits :
 en fonctionnement linéaire, la tension différentielle d'entrée :
 = e+ - e- est nulle.
e+
 les courants d'entrée i+ et i- sont nuls.
+

i-
-
vs
e- Vcc
figure 4
 en commutation : la tension de sortie vaut :
+ Vcc si e+ > e- et
- Vcc si e- > e+.
Le changement d'état de la sortie lors d'un basculement est instantané.
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La commande de base fournit deux tensions de base complémentaires (figure 5).
3.1. Déterminer la relation liant V1, Vref et i en
fonction de R1, R2, R3 et du shunt s.
V2
t
v be1
t
v be2
t
figure 5
3.2. Mettre cette relation sous la forme :
V1 = A (i - lref) avec Iref = k Vref.
Exprimer et calculer A et k.
Pour la suite, on pose j = i - lref  V1 = A j
3.3. Déterminer la caractéristique de transfert :
V2 = f (V1) du montage comparateur à hystérésis réalisé
avec l'amplificateur opérationnel A2.
Calculer les valeurs numériques de la tension V1
provoquant les basculements.
En déduire que les valeurs des seuils en courant j+ et j- sont
j+ = + 0,52 A, j- = - 0,52 A.
3.4. En régime établi : E = 150V, Iref = 10 A,
 = 0,75.
Justifier la valeur de .
A l’instant t = 0, i(0) = 9,5 A et V2 = Vcc
Pour quelles valeurs de i observera-t-on un basculement de la tension V2 ?
Tracer sur le document réponse n°3 l’évolution des courants i et j et de la tension V2.
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document réponse n°1
v be2
t
0
T
T
T + T
v
t
0
i
t
0
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document réponse n°2
v be1
t
0
v be2
t
0
i
cas a
t
0
T1 D1
T2 D2
i
cas b
0
t
T1 D1
T2 D2
i
cas c
0
T1 D1
T2 D2
t
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document réponse n°3
i
Echelles :
1 cm pour 2 A
1 cm pour 10 V
t
0
j
t
0
v2
t
0